Nathan Zuntz war der älteste der elf Enkel der Rachel Zuntz. Er studierte ab 1864 Medizin an der Universität Bonn. 1868 promovierte er mit der Dissertation über Beiträge zur Physiologie des Blutes. Er legte im selben Jahr das Staatsexamen ab und war damit approbierter Arzt. Es folgte eine mehrmonatige Praxisvertretung in Oberpleis bei Bonn.

1871 wurde er Privatdozent an der Universität Bonn und 1872 Honorardozent für Physiologie an der Königlichen Landwirtschaftlichen Akademie Poppelsdorf. 1881 wurde er zum ordentlichen Professor an das Tierphysiologische Institut der Königlich Landwirtschaftlichen Hochschule Berlin berufen. In den 80er Jahren löste sich Zuntz vom jüdischen Glauben und trat 1889 mit seiner Familie zum Protestantismus über.

Kaiser Wilhelm II. ernannte Zuntz 1904 zum Geheimen Regierungsrat und 1906 für zwei Jahre zum Rektor der Königlich Landwirtschaftlichen Hochschule Berlin. Als solcher baute er das damals modernste tierphysiologische Institut der Welt. Insbesondere die nach seinen Plänen errichtete Respirationsanlage für große Tiere war auf dem neuesten Stand. Ab 1914 stellte er seine gesamte Kraft in den Dienst des Krieges.

1919 wurde Zuntz auf seine Bitte in den Ruhestand versetzt. Eine erwünschte Professur an der Universität blieb ihm wegen des vorherrschenden Antisemitismus ein Leben lang verwehrt. Er starb am 22. März 1920 in Berlin.

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